Inneboende vibrationsbeteende hos fjädrar

Inom maskinteknik är spännings- och kompressionsfjädrar en viktig del av utformningen av mekaniska system, applikationer och användningsområden. Fjädrarnas egenskaper, såsom deras returkraft och fjäderkonstant, påverkar maskinernas prestanda och funktionalitet. För att förstå dessa egenskaper och vibrationsbeteendet hos fjädersystem tittar vi i den här artikeln på de fysiska relationerna mellan fjädersystem och förhållandet mellan naturlig frekvens och resonans.

Fysiska egenskaper hos fjädrar

Spännings- och kompressionsfjädrar, helt enkelt kallade "fjädrar", är ett av de viktigaste elementen i mekaniska system. De har förmågan att sträcka och komprimera, så att de kan lagra kinetisk energi. Denna energi frigörs när fjädern återgår till sin ursprungliga form.

Fjädrarnas fysiska egenskaper beror på olika faktorer. Materialet som fjädrarna är gjorda av, deras form och storlek samt hur de lastas är avgörande. Dessutom kan yttre faktorer som temperatur och fuktighet påverka fjädrarnas egenskaper.

Fjäderns inneboende vibrationsbeteende bestäms av deras fysiska egenskaper. Dessa inkluderar densitet, elasticitetsmodul, vibrationsdämpning och styvhet. Fjäderns inneboende vibrationsbeteende påverkas också av typen av tillämpning.

Harmoniska vibrationer

Harmoniska vibrationer är odämpade vibrationer där returkraften är proportionell mot fjäderns avböjning.

När en fjäder avleds från sin jämviktsposition och sedan släpps börjar den vibrera. Dessa vibrationer är harmoniska när returkraften, dvs. kraften som verkar i jämviktspositionens riktning, alltid är proportionell mot avböjningen. Harmoniska vibrationer har en fast frekvens och stannar inte av sig själva efter den initiala yttre ansträngningen av en kraft.

Dämpade vibrationer

I verkligheten är vibrationen av fjädrar till exempel fundamentalt dämpad eftersom de minskar med tiden på grund av yttre påverkan som friktion eller luftmotstånd. Detta innebär att vibrationens amplitud gradvis minskar tills vibrationen slutligen upphör. Oscillationsperioden reduceras således genom att dämpa fjädern beroende på dess fysiska egenskaper.

Dämpningen påverkar fjäderns inneboende vibrationsbeteende genom att orsaka energiförluster under vibrationer. När en fjäder vibrerar frigör den energi på grund av friktion och andra faktorer. Detta gör att vibrationen gradvis minskar. Dämpningen ändrar fjäderns vibrationsbeteende genom att minska vibrationens frekvens och amplitud. Detta innebär att dämpade vibrationer är betydligt mindre mottagliga för resonans.

För att förstå det inneboende vibrationsbeteendet hos en dämpad fjäder måste fjäderns dämpningsegenskaper beaktas. Dämpning kan påverkas av olika faktorer, såsom fjäderns form, materialet och miljön där det används.

Industriella stötdämpare kan också användas för att dämpa vibrationer utöver fjädrar.

Fjäderkonstanten som en avgörande parameter

Vikten av naturlig frekvens

Den inneboende vibrationen eller den naturliga frekvensen hos ett mekaniskt system beskriver frekvensen vid vilken systemet vibrerar efter en enda excitation från utsidan. Fjäderns inneboende vibrationsbeteende är viktigt för att förstå mekaniska systems vibrationsegenskaper.

När en fjäder integreras i ett mekaniskt system kan det påverka systemets vibrationsbeteende. Vid en fjäderpendel (även fjädersvingare) beror den naturliga frekvensen på fjäderkonstanten k och pendelkroppens massa m.

Baserat på vibrationsekvationen kan följande formel användas för att beräkna en fjäders naturliga frekvens:

Resonans i ett fjädersystem

Resonans är ett viktigt mekaniskt fenomen och kan förekomma i många tillämpningar. Det är viktigt att förstå hur resonans utvecklas och vilken inverkan det har på optimering av fjädersystemens prestanda. I utformningen är naturliga frekvenser och resonanser av fjädersystem av större betydelse när det gäller de resulterande konsekvenserna för stabiliteten och säkerheten hos en applikation.

En resonans uppstår när en extern kraft som verkar på fjädersystemet motsvarar den naturliga (inre) frekvensen hos en fjäder. När denna frekvens uppnås börjar systemet vibrera med största möjliga amplitud. Detta kallas resonans.

Förutsatt att en applikation består av en vibrationsmatare som är monterad på fjäderbelastade fotuttagsbultar. I detta fall kan en resonanseffekt uppstå om vibrationsmatarens frekvens ligger nära den naturliga frekvensen hos de fjäderbelastade fotlyftbultarna. Denna resonanseffekt kan i slutändan leda till att tillämpningens vibrationsamplitud ökar ytterligare och dess stabilitet och säkerhet inte längre ges.

Effekterna av resonans i fjädersystemet kan vara mycket allvarliga. Om fjädersystemet vibrerar för mycket kan det orsaka skador på konstruktionen eller oförutsebara rörelser.

Det kan således konstateras att resonanser i konstruktionen generellt bör undvikas.

• Alla naturliga frekvenser är inte lika = BRA
• Alla naturliga frekvenser lika = DÅLIGA

Hur resonans kan förebyggas

Vi har redan fastställt att den naturliga frekvensen är en viktig faktor för förekomsten av oönskad resonans i en applikation. Hur kan denna kunskap användas i praktiken?

1. Fastställ vibrationsfrekvensen för den planerade tillämpningen.

   Tillämpningens vibrationsfrekvens ska vara känd som en del av designen (t.ex. applikationens tekniska data). Därför kan lämpliga fjädrar väljas i följande steg.

2. Bestäm den naturliga frekvensen för den önskade fjädern.

   Genom att införa en lämplig naturlig frekvens i vibrationsekvationen (se beräkningsformel för naturlig frekvens) kan fjäderkonstanter fastställas som är lämpliga med hänsyn till vibrationsfrekvensen för den planerade tillämpningen.

3. Ytterligare dämpning av vibrationen.

   I vissa fall kan det vara nödvändigt att ytterligare dämpa vibrationerna hos en fjäder genom att använda dämpningsmaterial (t.ex. PU-dämpare) för att ytterligare minska oönskade vibrationer eller ljud. Ett dämpat fjädersystem minskar vibrationerna till en acceptabel nivå och ökar applikationens stabilitet och säkerhet.

Vilka andra åtgärder finns det för att dämpa vibrationer?

Ett alternativ är att använda en lämplig fjäder för att dämpa applikationen. En fjäder kan absorbera en vibrerande rörelse och omvandla den till värmeenergi, vilket dämpar vibrationen. Denna princip används ofta i fordon där stötdämpare av fjädrar används för att dämpa vibrationer på vägen.

Stötdämpare är ett annat sätt att dämpa vibrationer. Till skillnad från fjädrar omvandlar stötdämpare kinetisk energi direkt till värmeenergi, vilket minskar rörelsens omfattning betydligt snabbare än fjädrar.

Ett modernare exempel på ett effektivt spjäll är en PU-dämpare (polyuretan). Denna typ av material absorberar inte bara vibrationer på grund av dess elastiska egenskaper som andra material; Det har också utmärkta stötdämpande egenskaper och en hög motståndskraft mot nötning och slitage jämfört med konventionella gummimaterial.